Energie – Erzeugung, 
Handel und Transport (5)

PV für den kleinen bis mittleren Leistungsbereich

Die Geschichte der Photovoltaik begann schon im Jahr 1839, als der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt entdeckte. Es dauerte jedoch noch über einhundert Jahre, bis es Ende der 1950er Jahre zu einer erstmals nennenswerten Nutzung kam, nämlich in der Energieversorgung von Satelliten. Aber erst nach dem Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Gesetzes im Jahr 2000 gelang der Photovoltaik in Deutschland der Durchbruch, sowohl in Form von Dachanlagen als auch in Form von Freiflächenanlagen. Ende 2018 war in Deutschland eine PV-Kapazität von 46 GW_P installiert [1]. Was gern übersehen wird: Mit dieser Leistung trug die Photovoltaik nur einen Anteil von 1,1 % zum Primärenergieverbrauch bei [2]. Weltweit waren Ende 2018 PV-Anlagen mit einer Leistung von mehr als 500 GW_P installiert. Zwischen 1998 und 2015 stieg diese Leistung mit einer Wachstumsrate von durchschnittlich 38 % pro Jahr. Autoren einer in diesem Jahr erschienenen Arbeit erwarten, dass die installierte Leistung bis 2030 etwa 10 000 GW erreichen und 2050 bei 30 000 bis 70 000 GW liegen könnte [3].

Photovoltaischer Effekt

Die Basis der Stromerzeugung durch Sonnenstrahlung bilden Solarzellen. Sie wandeln einfallendes Licht in elektrischen Gleichstrom um [3]. Die marktgängigsten Zellen bestehen aus hochreinem Silizium, aus dem immer noch weit mehr als zwei Drittel aller weltweit hergestellten Solarzellen gefertigt werden. Die Kristallstruktur kann mono- oder polykristallin sein. Neben Silizium finden Halbleiter wie Cadmiumtellurid und Galliumarsenid Verwendung; ferner Kombinationen aus Indiumgalliumarsenid und Indiumgalliumphosphid, die in sogenannten Tandem-Solarzellen zum Einsatz kommen. Weniger verbreitet sind Solarzellen aus organischen Halbleitermaterialien. Silizium zählt zu den Halbleitermaterialien. In ihrem Innern stehen nur wenige Elektronen für einen Stromtransport zur Verfügung. Die Ursache liegt im kristallinen Aufbau: Silizium hat 14 Elektronen, die in drei Elektronenschalen angeordnet sind. Vier davon, die Valenzelektronen, befinden sich in der äußeren Schale, dem Valenzband. Sie sind mit den Valenzelektronen benachbarter Siliziumatome fest verbunden. Bei Energiezufuhr durch Wärme oder Licht können sich einige Elektronen aus den Valenzbändern lösen und im Kristallgitter frei vagabundieren. Sie hinterlassen dabei eine Lücke, eine (virtuelle) positive Ladung, die als Loch bezeichnet wird. Reines Silizium besitzt also gleich viele positive wie negative Ladungsträger, wenn auch in geringer Menge. Will man die Leitfähigkeit des Siliziums verbessern, muss man es gezielt mit Fremdatomen verunreinigen. Zum Dotieren – so nennt sich dieser technische Vorgang – eignen sich Stoffe mit drei (beispielsweise Bor oder Gallium) oder fünf Valenzelektronen (beispielsweise Phosphor oder Arsen). Ersetzt man in dem Kristallgitter ein Siliziumatom durch ein Phosphor- oder Arsenatom mit fünf Valenzelektronen (Donatoren), erhöht sich die Menge der freien Elektronen. Das Resultat ist n-dotiertes Silizium. Nimmt man als Ersatz hingegen ein Bor- oder ein Galliumatom mit drei Valenzelektronen (Akzeptoren), entsteht ein Loch (Defektelektron). Man hat dann p-dotiertes Silizium vor sich. Funktion und Verhalten einer Silizium-Solarzelle hängen entscheidend vom p-n-Übergang ab. Er bildet sich, wenn zwei unterschiedlich dotierte Siliziumschichten übereinander gelegt werden. An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld (eine Raumladungszone) auf, das eine Trennung der durch das Sonnenlicht paarweise freigesetzten negativen und positiven Ladungsträger (Elektronen und Löcher) bewirkt. Die Elektronen bewegen sich zu den Kontaktfingern auf der Frontseite der Solarzelle und fließen weiter über den äußeren Gleichstromkreis zur Rückseite. Die Löcher hingegen bewegen sich innerhalb der Solarzelle zu deren Rückseite und vereinen sich dort mit den zufließenden Elektronen aus dem Gleichstromkreis. Der Stromfluss wird also nur im äußeren Stromkreis und im n-Silizium durch Elektronen getragen, im p-Silizium dagegen durch Löcher. Die Energie des Sonnenlichts bewirkt kontinuierlich die Freisetzung von Elektronen-Loch-Paaren, die in der Raumladungszone getrennt werden und dafür sorgen, dass an den Schichten permanent eine Spannung abgegriffen werden kann. Diese Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V. Sie ist bei Einstrahlungen über 100 W/m² relativ konstant, darunter jedoch stark abhängig von der Einstrahlung. Auch Temperatureinflüsse verändern den Spannungswert: Bei Erwärmung sinkt er, bei Abkühlung steigt er an. Autor: W. Wilming Literatur:
[1] Bundesverband Solarwirtschaft: Statistikpapier „Photovoltaik“. Abrufbar unter: www.solarwirtschaft.de/unsere-themen-photovoltaik/zahlen-und-fakten.html. Zuletzt eingesehen am 9.10.2019. [2] AG Energiebilanzen: Auswertungstabellen 1990–2017 (Datenstand Juli 2018). Abrufbar unter: www.ag-energiebilanzen.de. Zuletzt eingesehen am 9.10.2019. [3] Wikipedia: Photovoltaik. Abrufbar unter: de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik. Zuletzt eingesehen am 8.10.2019. Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.